Nghiên cứu đề xuất các tham số của công trình giảm sóng, gây bồi đối với khu vực Hải Hậu-Nam Định - Doãn Tiến Hà

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 1 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC THAM SỐ CỦA CÔNG TRÌNH GIẢM SÓNG, GÂY BỒI ĐỐ I VỚI KHU VỰC HẢI HẬU-NAM ĐỊNH ThS. Doãn Tiến Hà, PGS.TS. Trương Văn Bốn Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về ĐLHSB PGS.TS. Trần Hồng Thái Trung tâm Khí tượng thủy văn Quốc gia Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu sự thay đổi các tham số (chiều cao, bề rộng, kích thước dài-ngắn,) của công trình giảm sóng, gây bồi có ảnh hưởng đến diễn b iến các trường thủy thạch động lực khu vực Hải Hậu-Nam Định. Từ các kết quả nghiên cứu sẽ đề xuấ t được bộ thông số hợp lý về công trình g iảm sóng, gây bồi đối với khu vực nghiên cứu. Để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả đã kết hợp giữa các phương pháp thí nghiệm trên mô hình vật lý và m ô phỏng trên m ô hình toán. Từ khóa: Mô hình vật lý, mỏ hàn, đê phá sóng Summ ary: This paper presents research results change the parameters (heigh t, width, size o f long-short, ...) o f the structure reduction wave, causing damages that affect the evo lution o f aquatic fossils regional dynam ics of Hai Hau-Nam Dinh. From the results of the study will propose a reasonable set of param eters for the reduction wave, causing damages to the study area. To solve th is prob lem , the authors have com bined the experim ental m ethods on physica l m odeling and sim ulation on mathem atical m odel. Keywords: Physical m odels, Groins, Breakwaters I. MỞ ĐẦU * Ở Hải Hậu-Nam Định hiện nay, ngoài hệ thống đê biển hầu như đã được bê tông hóa và kè lát mái phía biển, một số nơi đã sử dụng hệ thống công trình giảm sóng, gây bồi, như: Hệ thống 5 mỏ hàn chữ T (MCT) xây dựng năm 2005 tại Hải Thịnh, hệ thống 9 bẫy cát biển (BCB) được xây dựng năm 2011 tại khu vực Hải Ch ính. Cho đến nay, các trường hợp sử dụng MCT đều cho hiệu quả chưa lớn, nhưng có thể nói là khả quan. Đáng kể nhất là công trình Hả i Thịnh 2, công trình này có tác dụng gây bồi theo mùa nhưng tạm thời và rất hạn chế, công trình bị một số hư hỏng khi chịu tác động của Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Thanh Hù ng Ngày nhận bài: 07/11/2014 Ngày thông qua phản biện: 10/12/2014 Ngày duyệt đăn g: 05/02/2015 sóng bão lớn. Hiệu quả gây bồi nhanh chóng thể hiện rõ ở BCB Hải Chính, sau kh i xây dựng công trình đến nay, bãi được bồi cao bình quân từ 0.5-1.6m; ch iều rộng từ chân đê trở ra khoảng 50-60m. Ngoài ra, sóng biển qua đê giảm sóng (ĐGS) sẽ giảm chiều cao, từ đó giảm chiều cao sóng leo và tác động xung kích lên mái kè. Ngoài một số những hiệu quả đã đạt được của hệ thống các công trình đã xây dựng tại Hả i Hậu, thì vẫn còn những tồn tại như: Đối vớ i MCT, kích thước mặt bằng vẫn chưa tuân thủ hoàn toàn theo chỉ dẫn của 14TCN130-2002 ; Thân chưa vươn ra dải sóng vỡ, cánh còn ngắn (Hải Thịnh 2), nên sóng vẫn xô vào tận bờ và gốc MCT, lượng cát bồ i t ụ ít; Cao trình đỉnh MCT còn chưa đạt đến mực nước trung bình, hạn chế hiệu quả ngăn cát, giảm sóng khi mực nước cao và sóng lớn; Kết cấu cánh sử dụng ống buy, hiệu quả giảm sóng rất hạn chế, đồng KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 2 thời gây hiệu ứng sóng đứng, dẫn đến xó i chân, bất ổn định công trình. Về công trình hỗn BCB, vị trí đặt ĐGS (thân) quá gần bờ và cao trình còn thấp, chưa phát huy được hiệu quả giảm sóng và ngăn cát; Theo chỉ dẫn, vị trí từ đường bờ đến tim ĐGS bằng 1,0-1,5 lần chiều dài sóng nước sâu. Do vậy h iệu quả giảm sóng không cao; Chiều dài ĐGS (cánh), theo chỉ dẫn lấy bằng 1,5-3,0 lần khoảng cách bờ-ĐGS; Thiết kế của BCB chỉ lấy bằng 1,0 lần là thiên nhỏ. Nhìn chung, các thông số về kích thước (dài ngắn), cao trình, khoảng cách giữa các công trình, đối với công trình trên bãi đã xây dựng ở Hả i Hậu vẫn còn có nhiều bất cập. Từ đó dẫn đến chưa phát huy được tối đa hiệu quả của công trình. Do vậy, rất cần có những nghiên cứu để đưa ra được bộ thông số phù hợp đối với công trình giảm sóng, gây bồ i tại nơi đây. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Ảnh hưởng của công trình giảm sóng gây bồi tới biến đổi hình thái đường bờ Khi một công trình giảm sóng (đê ngầm phá sóng chẳng hạn) được đặt trên bãi biển, dù là loại không ngập nước hay loại ngập nước đều sẽ có ảnh hưởng tới diễn biến hình thái đường bờ. T ùy thuộc vào các tham số của công trình mà ảnh hưởng của đê đến hình thái đường bờ sẽ có những nét khác nhau. Nhưng về tổng thể những thay đổi hình thái đó được chia làm hai loại là Tomolo và Salient (Bãi nổi). Hình 2.1. Hai hình thái điển hình cho diễn biến đường bờ sau đê ngầm Hình 2.2. Các tham số đánh giá diễn biến hình thái đường bờ sau đê ngầm Điều kiện hình thành Salient hay Tomolo thông qua các tham số trình bày ở hình 2.2. Các tham số được diễn giả i cụ thể như sau: Ký h iệu Ý nghĩa K ý h iệu Ý nghĩa Ls: C hi ề u dà i đê ng ầ m ( m ) D t o t : C hi ề u dà i đư ờ ng b ờ đư ợc b ồi s a u đ ê ngầ m ( m ) X : K h oản g các h từ đê n gầ m tớ i đ ư ờ n g bờ ( m) A : Di ệ n tí c h vù n g b ồi tụ s au đê n gầ m ( m2 ) B: Bề r ộn g đê n gầm (m ) L: C hi ề u dà i bư ớ c s ó ng t ạ i đê ng ầ m ( m ) G : Độ r ộn g khe giữ a các đê h: C hi ề u s âu nư ớ c t ạ i châ n đê ng ầ m ( m ) X o ff : K h oản g các h từ mũi S al i ent tớ i đê n gầ m (m ) T: C hu kỳ s ó ng Y o ff : K h oản g các h từ mũi Sl i ent tớ i đư ờ n g bờ b an đầ u (m ) H o : C hi ề u ca o s ó n g n ư ớc s â u Các tiêu chí để đưa ra sự hình thành dạng hình thái bãi kiểu Tombolo hay Salient cũng đã được KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 3 một số nhà khoa học ngh iên cứu và đưa ra các dạng công thức như sau: TT Hình thái tạo bãi Điều kiện Tác giả Ghi chú 1 Tombolo Ls/X > (1.0 đến 1.5) Harris và Herbich, 1986; Dally và Pope, 1986 Đê chắn sóng loại không bị chìm dưới nước Bãi cát nổi Ls/X = (0.5 đến 1.0) Bãi cát nổi (nhiều ĐGS) GX/Ls2> 0.5 2 Tombolo Ls/X > (1.0 to 1.5)/(1-Kt); hoặc X/Ls < (2/3 đến 1)(1- Kt); hoặc X/(1-Kt) < (2/3 đến 1)Ls Pilarczyk & Zeidler (1996) - Đề xuất thêm yếu tố (1-Kt), Kt là hệ số truyền sóng; - Độ rộng khe thường trong khoảng L≤G≤0.8Ls; L=T(gh)0. 5 Bãi cát nổi Ls/X(1-Kt), hoặc X/(1-Kt) >Ls Bãi cát nổi (nhiều ĐGS) GX/Ls2 > 0.5 (1-Kt) 3 Tomolo Ls/L ≤ 11 (1-Kt) Ho/h Hanson và Krause (1989, 1990) Bãi cát nổi Ls/L ≤ 48 (1-Kt) Ho/h 4 Tombolo Ls/X >0. 65 (Black & Mead, 1999), Andrews (1997) Đê nổi Bãi cát nổi Ls/X <1. 0 Tombolo Ls/X >0. 60 Đê ngầm Bãi cát nổi Ls/X <2. 0 5 Xoff/Ls = 0.40 (Ls /X)-1.52 Black và Andrews (2001) Đê nổi Xoff/Ls = 0.50 (Ls /X)-1.27 Đê ngầm Xoff/B = 0. 498(B/X)-1.268 Yoff/Dtot = 0.125 ± 0.02 6 Tombolo X/Ls = 0.8 Ming và Chiew (2000) khu vực có cát lắng đọng (A) Bãi cái nổi X/Ls > 0.8 Khu vực cát lắng đọng (A) A/X2=-0.348+0.043X/Ls +0.711Ls/X 7 Tính chiều dài bãi bồi  22 /)(83.2exp8.14 LsGXLsGXXYoff  Suh và Dalrymple (1987) Chiều dài Max của bãi bồi sau đê chắn sóng tính từ bờ Yoff 2.2. Phương pháp nghiên cứu trên m ô hình vật lý (MHVL) Hệ thống m áng tạo sóng Flander - Thí nghiệm được thực hiện trong máng tạo sóng Flander có kích thước: dài 40m, rộng 2m, cao 2m. Hệ thống có khả năng tạo được các sóng đều (Sine), sóng không đều với các dạng phổ: Pierson Moskowitz, Jonswap, chiều cao sóng từ 1,5cm đến 30cm, chu kỳ sóng từ 0,5s đến 5s trên mô hình. - Trong thí nghiệm này nhằm tìm ra được bộ thông số: cao trình đỉnh đê, bề rộng đỉnh, mái dốc và các hệ số suy giảm sóng phù hợp vớ i khu vực Hải Hậu. 2.2.1. Mô phỏng tương tự các giá trị trên mô hình, chọn tỉ lệ mô hình Mô hình lựa chọn là mồ hình chính thái, tỷ lệ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 4 lựa chọn là 1:20. Việc mô phỏng tương tự các thông số về đơn vị độ dài, thời gian, tần số, được thiết lập theo tiêu chuẩn Froude. Bảng 2.1. Các giá trị tỷ lệ mô hình - nguyên hình C ác đại lượng Tỉ lệ mô hình/nguyên hình Thực tế khu vực nghiên cứu (tỷ lệ 1/20) Tỷ lệ độ dài, chiều cao sóng (m) L = h = a 20 Tỷ lệ thời gian, chu kỳ ( s) T = L = a 4,472 Tỷ lệ tần số (Hz) aT f 11   0,2236 Tỷ lệ trọng lượng (kg) P = 3L = a3 8000 Tỷ lệ diện tích (m2) s = 2L = a2 400 Tỷ lệ thể tích (m3) P = 3L = a3 8000 Đơn vị đo áp lực mBar p = a 20 Lưu lượng (m3/s) q = 5.2L = a2,5 1788,854 Vận tốc v = L = a 4,472 2.2.2. Các điều kiện biên và k iểm định mô hình 1. Số liệu địa hình: Bãi và đê biển được lấy tại mặt cắt đại diện cho khu vực cần nghiên cứu (Hải Hòa-Hả i Hậu, xem hình 2.3). Mặt bãi nghiên cứu từ chân đê tại cao trình +0.62m trải dài 400m ra biển, nơi có cao trình -3.2m. Hình 2.3. Mặt cắt bãi ven biển Hả i Hậu-Nam Định được mô phỏng 2. Điều kiện sóng và mực nước thí nghiệm : Bảng 2.2. Các cấp mực nước và sóng thí nghiệm TH Các cấp MN thí nghiệm Chiều cao sóng Chu kỳ Thực tế MH NH MH NH MH 1 Cấp 1: = 3. 0m (MN=2.2+ND=0.8) 0.150m 2.01m 0.100m 6.700s 1.498s 2.70m 0.135m 9.973s 2.230s 2 Cấp 2: = 3. 5m (2.2+1.3) 0.175m 2.01m 0.100m 6.700s 1.498s 2.70m 0.135m 9.973s 2.230s 3 Cấp 3: = 4. 0m (2.2+1.8) 0.200m 2.01m 0.100m 6.700s 1.498s 2.70m 0.135m 9.973s 2.230s 2.2.3. Kiểm định mô hình thí ngh iệm Trước khi thí nghiệm, các đầu đo sóng phải được hiệu chuẩn và kiểm định theo phương pháp và chỉ dẫn của hệ thống thí nghiệm. Sau đó sẽ kiểm định sóng đầu vào để phục vụ thí nghiệm. Trong nghiên cứu này đã lấy phổ sóng thực đo tại Hải Hậu và so sánh với hs = 0.0715m (1.43m thực tế) và chu kỳ T = 1.43s (5.84s thực tế), mực nước +15cm (3.0m thực tế) đo đạc trong hệ thống máng tạo sóng. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 5 Hình 2.4a. Phổ sóng đưa vào kiểm định Hình 2.4b. So sánh phổ sóng kiểm định và phổ sóng thực đo tạ i Hả i Hậu Kết quả so sánh cho thấy hệ thống tạo sóng trong phòng thí nghiệm khá phù hợp vớ i số liệu thực đo, hoàn toàn có thể đưa hệ thống vào thí nghiệm. 2.2.4. Các phương án thí nghiệm - Thí nghiệm với đê ngầm có độ cao thay đổ i khác nhau, tương ứng với 03 cấp mực nuớc: 3.0m, 3.5m, 4.0m. - Thí nghiệm với đê ngầm có độ rộng (B) thay đổi từ 5.0m-20.0m (trên mô hình: 25cm-100cm), ứng với 02 cấp mực nước: 3.0m và 3.5m. 2.3. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán 2.3.1. Thiết lập mô hình tính toán: Áp dụng mô hình tính biến động đường bờ biển (GENESIS), sử dụng lưới vuông, bước lưới 5m theo cả hai trục X và Y, lưới quay một góc 315 độ so vớ i hướng Bắc. Hình 2.5. Lưới tính toán khu vực ngh iên cứu Trong phần thí nghiệm mô hình vật lý đã lựa chọn được cao trình đỉnh đê, hệ số suy giảm sóng Kt, mái đê và bề rộng đê ngầm. Các thông số này sẽ được sử dụng để đưa vào mô hình toán. 2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Bằng cách sử dụng nh iều tổ hợp các giá trị K1, K2 và so sánh sự tương đồng giữa đường bờ tính toán và thực đo (lấy từ các bản đồ đường bờ lịch sử), tổ hợp giá trị các hệ số hiệu chỉnh được xác định với các giá trị như sau: - Chọn K1 = 0.56; K2 = 0.45. - Đường kính hạ t d50 = 0.16mm Hình vẽ 2.6 là kết quả tính toán kiểm định cho khu vực Hải Hậu từ cửa Hà Lạn đến cửa Lạch Giang. Các kết quả tính toán kiểm định cho thấy sự phù hợp khá tốt xu thế biến động đường bờ qua thời kỳ 1985-1995, sai số tính toán được thể hiện như sau: X Y Đê ngầm KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 6 Sai Số trung bình (m): 18.739 Sai số cực đạ i (m): 50.044 Sai Số cực tiểu (m): 0.055 Hình 2.6. Tính toán kiểm định diễn biến đường bờ tạ i Hả i Hậu g iai đoạn 1985-1995 3. Điều kiện b iên mực nước và sóng: Tính toán diễn biến đường bờ được lấy từ giá trị phân tích chuỗi số liệu thống kê sóng, gió nhiều năm tại các trạm đo Bạch Long Vĩ và Cồn Cỏ để làm đầu vào. 2.3.2. Các phương án mô phỏng tính toán 1. Đánh giá ảnh hưởng của đê ngầm tới diễn biến đường bờ - Đánh giá ảnh hưởng của chiều dài đê ngầm tới diễn biến đường bờ: các kịch bản chiều dài đê (L) thay đổ i lần lượt là L=50m; L=100m và L=200m. Thời gian tính toán là 5 năm từ ngày 1/1/2012 đến 31/12 /2017. - Đánh giá ảnh hưởng khoảng cách giữa đê ngầm và đường bờ ban đầu tới diễn biến hình thái: Tiến hành tính toán với các phương án X=50m; X=80m; X=100m; X=150m và X=200m. 2. Tính toán với cụm công trình đề xuấ t: Bố trí phương án gồm 7 MCT, kết hợp với 5 đê ngầm phá sóng (ĐNP G) với mục đích ngăn cát, giảm sóng và gây bồi bãi tại Hải Hòa (Hình 2.7). Hình 2.7. Bố trí hệ thống công trình hỗn hợp tại khu vực Hải Hậu. Thông số chi tiết của phương án bố trí: - Cánh chữ T và đê ngầm bố trí cách bờ khoảng 150-160m ở độ sâu -0.8m÷-1.0m. - Chiều dài thân mỏ chữ T trung bình 150m, cũng là khoảng cách từ bờ đến đê ngầm; - Chiều dài cánh mỏ chữ T trung bình 200m, cũng bằng chiều dài trung bình của đê ngầm; - Khoảng cách trung bình giữa 02 đầu cánh MCT, hoặc giữa 02 đê ngầm với nhau là 110m; - Cao trình đỉnh đê ngầm, cũng là cao trình đỉnh chữ T là +1.40m; - Bề rộng đỉnh đê ngầm, cũng là bề rộng đỉnh mỏ chữ T là 5.0m. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 7 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN 3.1. Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý 3.1.1. Thí nghiệm lựa chọn cao trỉnh đỉnh đê ngầm Thí nghiệm nhằm lựa chọn được cao trình đỉnh đê ngầm phù hợp với khu vực nghiên cứu (cả về kỹ thuật và tính khả thi), đã tiến hành thí nghiệm với đê ngầm làm bằng nhôm (B=2m, MH =10cm) có thể thay đổi độ cao khác nhau. Từ kết quả thí nghiệm đã đưa ra được đồ thị về quan hệ giữa hệ số suy giảm Kt và chiều cao tương đối của đê ngầm (d/Ht) ứng với mực nước khác nhau (hình 3.1). Hình 3.1. Quan hệ giữa Kt và d/Ht tại các mực nước th í nghiệm Từ kết quả thí ngh iệm có thể rút ra được một số kết luận sau: - Độ cao tương đối của đê ngầm càng tăng thì tác dụng giảm sóng của đê ngầm càng tăng. - Độ sâu mực nước tương đối càng giảm thì tác dụng giảm sóng của đê ngầm càng tăng. Từ đường quan hệ  Muốn đê ngầm phát huy tác dụng thì trong thực tế thường phải lấy 5,0 Ht d vì hệ số Kt mới đạt 0.7-0.8, tức là chiều cao sóng giảm được tối thiểu từ 20%-30%. Dựa vào các kết quả thí nghiệm với các cao trình đê thay đổi nhằm lựa chọn được cao trình đỉnh đê phù hợp đối với ven biển Hải Hậu, các tác giả đã tính toán và đề xuất cao trình đỉnh đê ngầm ứng với mực nước thiết kế tần suất P=5% (h=2.2m), cộng với nước dâng 0.8m là: Đê ngầm đặt tại vị trí có cao trình đáy là - 1.0m, ta có Ht=2.2+0.8+1.0=4.0m, chọn d/Ht=0.6  d=4.0*0.6=2.40m. Vậy, nếu ký hiệu ∆ là cao trình đỉnh của đê ngầm thì ∆ = 2.40-1.0=+1.40m. 3.1.2. Lựa chọn tham số bề rộng đ ỉnh đê ngầm Nhằm tìm ra bề rộng đỉnh đê ngầm phù hợp với khu vực nghiên cứu, các tác giả đã triển khai thí nghiệm với điều kiện biên : mực nước +2m, chiều cao sóng Hs tại biên từ 1.5÷3.0m, chu kỳ sóng T từ 5.0s ÷10.0s, cao trình đỉnh đê ngầm +1.40m, hai mái đê 1 :2. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong hình 3.2 dưới đây. Hình 3.2. Mối quan hệ thực nghiệm đơn giản giữa chiều bề rộng đê ngầm và kệ số giảm sóng. Kết quả thí nghiệm cho thấy rõ quy luật khi bề rộng (B) tăng thì hệ số Kt giảm, nghĩa là khả năng giảm sóng của đê ngầm tăng lên. Với kết quả thí nghiệm thực tế cho thấy, khi bề rộng đê là 5.0m thì hệ số giảm sóng trung bình trong các trường hợp khoảng 0.7. Khi B tăng thì khả năng giảm sóng của đê ngầm cũng tăng lên nhưng không quá nhiều. Do đó, với điều kiện và khả năng đáp ứng của Việt Nam nên lựa chọn phương án bề rộng đê ngầm B=3-5m để thi công. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 8 3.2. Kết quả nghiên cứu m ô phỏng trên mô hình toán 3.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của chiều dài tường tới d iễn biến hình thá i: Tính toán với các kịch bản chiều dài đê ngầm L thay đổ i lần lượt là L=50m; L=100m và L=200m. Thời gian tính toán 5 năm từ 1/1/2012 đến 31/12/2017. Số liệu đường bờ được trích và so sánh vào ngày 31/2/2017. Hình 3.3. Diễn b iến hình thái đường bờ với 3 trường hợp đê ngầm thay đổi chiều dà i khác nhau (L=50, 100, 200m) Kết quả tính toán cho thấy, khi tăng chiều dài đê, đường bờ có xu hướng biến động ổn định hơn. Với trường hợp L= 200m thì diện tích bồi là 626.65m2, diện tích xói là 617.16m2 cả diện tích bồi và diện tích xói đều nhỏ nhất so với trường hợp L=100m và L=50m. Trường hợp L=50m diện tích bồi là 680m 2, diện tích xói 677m2 lớn nhất trong ba trường hợp. Trong cả 3 trường hợp, kết quả tính toán cán cân bồi xói cho thấy giá trị dương, điều này chứng tỏ đê ngầm cho hiệu quả bảo vệ bờ và chống xói. 3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách giữa đê và đường bờ ban đầu tới diễn biến hình thái Tiến hành tính với X (khoảng cách giữa đường bờ và đê giảm sóng) thay đổi X= 50m; X = 80m; X = 100m; X = 150m và X = 200m. Hình 3.4. Biến động đường bờ với các khoảng cách tớ i bờ khác nhau của đê ngầm KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 9 Kết quả tính toán cho thấy, khi tăng giá trị X cả diện tích bồ i và xói đều giảm. Điều này cho thấy, đê ngầm đặt càng xa thì giảm hiện tượng bồi xói cục bộ, tuy nhiên lượng bồi cũng giảm. Do đó, cần phải tính toán hợp lý để lựa chọn được khoảng cách tốt cho khu vực ngh iên cứu. 3.2.3. Đánh giá ảnh hưởng độ rộng khe (G) giữa các tường tới diễn biến h ình thái: Hình 3.5. Phân tích diễn biến bồi xói khi thay đổi độ rông khe g iữa các tường từ 25m đến 150m. Tiến hành tính toán với các kịch bản thay đổi bề rộng G lần lượt: G=25, G=50, G=80 và G=150m. Kết quả tính toán cho thấy, khi tăng độ rộng khe giữa các tường diện tích bồi không thay đổi nhưng diện tích xói thì tăng lên. Chính vì vậy giá trị của cán cân bồi xói giảm khi độ rộng khe giữa các đê tăng. 3.2.4. Kế t quả tính toán biến động đường bờ vớ i cụm công trình đề xuất: Kết quả tính toán cho thấy việc bố trí hệ thống công trình đề xuất đã gây bồ i tạo cho bãi biển ổn định hơn (Hình 3.6) Hình 3.6. Tính toán biến động đường bờ khu vực Hải Hậu khi bã i có công trình Vùng bãi của 4/7 mỏ hàn chữ T có xu hướng được bồi mạnh sau công trình. Tại hai đê ngầm có sự hình thành bãi bồi nhẹ. Mỏ chữ T ở khu vực phía Nam có xu hướng được bồi trước và bồi mạnh hơn mỏ chữ T ở phía Bắc. Tại hai mỏ chữ T phía Nam HT6 và HT7 sự bồi t ụ diễn ra mạnh, phía sau mỏ chữ T HT7 mức độ bồ i là 100m/10 năm. Còn tại HT6 mức độ bồi giảm còn khoảng 80m/10 năm. Tại mỏ HT5 không xảy ra h iện tượng bồi t ụ sau công trình. IV. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC THAM SỐ CÔNG TRÌNH PHÙ HỢP DỰA TRÊN C ÁC KẾT Q UẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TO ÁN Những tham số lựa chọn của đê ngầm được dựa trên công thức thực nghiệm sẽ được so sánh với kết quả tính toán trên mô hình toán, cũng như thí ngh iệm trên mô hình vật lý đối với khu vực Hải Hậu để đảm bảo tính hợp lý. - Khoảng cách giữa đê ngầm và đường bờ (X): Từ giá trị đo đạc thực tế cho thấy chiều cao sóng bị vượt 1 lần trong 1 năm và chiều cao sóng trung bình theo trọng số tương ứng là 1.5 m và 0.7 m. Do vậy ch iều cao sóng trung bình năm Hs được ước tính: Hs = (1.5 + 0.7) /2 = 1.1 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 10 m và Ts = 8.5 s. Chiều dài sóng vùng nước sâu Ls liên quan đến Hs: mTgLs 7.1125.856.12 2 2 5   Đê ngầm thường được đặt tại vị trí X = (1÷1.5)Ls do vậy ta đặt đê cách bờ một đoạn X = 150m. - Chiều dài đê ngầm (L): Chiều dài đê ngầm có thể được tính theo hai cách: Chiều dài đê ngầm chắn sóng L được ước định theo tương quan với chiều dài sóng ven bờ: LsLLs 0.38.1  1.8  112.7 = 202.86 < L < 3.0 112.7 = 338 m Chiều dài đê ngầm chắn sóng L được ước định theo tương quan với khoảng cách y tính từ đê được bảo vệ: 0.8 y < L < 2.5 y  0.8  150 = 120 < L < 2.5 150 = 375 m Chọn chiều dài đê ngầm phá sóng L = 200m đồng thời đáp ứng được hai yêu cầu tương quan trên. - Khoảng cách G giữa các đê ngầm : Tương tự như vậy, thì khoảng cách G giữa các đê ngầm cũng được tính theo hai cách: Khoảng cách G được ước định theo tương quan với khoảng cách X tính từ bờ: 0.7 X < G < 1.8 X  0.7 150 = 105 < G < 1.8 150 = 270 m. Khoảng cách G được ước định theo tương quan với chiều dài sóng Ls: 0.5 Ls < G < 1.0 Ls  0.5 112.7 = 56.4 < G < 1.0  112.7 =112.7m Do vậy G được chọn là G = 110m sẽ thỏa mãn được cả hai tiêu chí trên - Cao trình đỉnh đê ngầm : Tại vị trí cách đường bờ 150m, có cao trình đáy khoảng - 1.0m. Mực nước trung bình cho toàn khu vực Hải Hậu có thể lấy 1.86m  độ sâu trung bình tại vị trí đê ngầm là 2.86m. Chiều cao sóng trung bình xác định là 1.1m nên chiều cao đê ngầm h = 2.86-0.55 =2.11. Vậy cao trình đỉnh đê ngầm là +1.31m có thể được làm tròn là +1.3m. Khi tính thêm dự trữ lún 0.2m cao trình đỉnh đê lựa chọn sẽ là +1.5m. T uy nhiên, dựa vào các kết quả thí nghiệm trên mô hình vật lý khuyến nghị nên lựa chọn cao trình đỉnh đê ngầm là ∆=+1.40m (gần tương đương nhau). - Bề rộng đê ngầm : Bề rộng đê ngầm thường lấy lớn hơn độ sâu tại vị trí đặt công trình (2,86m). Theo kết quả thí nghiệm mô hình vật lý ở trên, dựa vào tính khả thi trong điều kiện Việt Nam, nên lựa chọn bề rộng đê từ B=4.0- 5.0m. - Ước tính chiều dài bãi bồi lớn nhất: Chiều dài lớn nhất của bãi bồi sau đê phá sóng tính từ bờ ys được ước tính theo hệ thức của Suh và Dalrymple (1987):   mLGX L GX Xys 73.148/)(83.2exp8.14 2 2  ys = 148.73 m cho thấy đê ngầm có tác dụng tạo nên phần bãi bồ i dạng Salient, như vậy đê ngầm sẽ không chặn mà vẫn duy trì được dòng phù sa cho đoạn bờ biển phía dưới. Từ các tính toán trên ta có thể lựa chọn công trình đê ngầm phá sóng, gây bồi bãi đối với khu vực Hải Hậu như trong bảng 3.3 dưới đây: Bảng 3.3. C ác thông số kỹ thuật đề xuất của công trình đê ngầm phá sóng đối với khu vực Hải Hậu Các thông số kỹ thuật Giá trị đề xuất Ghi chú Khoảng cách từ bờ đến đê ngầm (X) 150m Chiều dài đê ngầm (L) 200m Khoảng cách giữa các đê ngầm (G) 110m Bề rộng đỉnh đê ngầm (B) 4.0-5.0m Cao trình đỉnh đê ngầm (∆) +1.40m Hai mái đê ngầm 1:2 Đê có mái cả hai phía KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 11 V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận: - Kết quả thí nghiệm trên mô hình vật lý cho thấy với hệ thống đê ngầm phá sóng đạt tiêu chuẩn 5,0 Ht d thì hệ số giảm sóng Kt đạt giá trị 0.7÷0.8 tức là chiều cao sóng đã giảm được tối thiểu từ 20 % ÷30%. Đối với khu vực Hả i Hậu, các tác giả đề xuất và lựa chọn được bộ thông số: 6,0 Ht d , cao trình đỉnh đê ∆=+1.40m, bề rộng đỉnh đê 4.0÷5.0m, mái đê 1:2. Khi đó đê ngầm sẽ giảm được tối thiểu khoảng 25%÷35% chiều cao sóng, tùy vào từng mực nước cao hay thấp. - Kết quả tính toán tác động của sóng lên công trình gây bồi bảo vệ bãi (mỏ hàn, đê ngầm): Đã đưa ra được bức tranh về diễn biến đường bờ, bãi biển khi có công trình giảm sóng trên bãi theo từng k ích thước (dài, ngắn), theo từng khoảng cách với đường bờ (xa, gần) và bố trí tổ hợp (khoảng cách khe hở giữa hai công trình) đối với bãi biển khu vực Hải Hậu. Từ đó có cơ sở lựa chọn kích thước, vị trí để đặt công trình trên bãi cũng như đánh giá được hiệu quả của công trình. - Các tác giả đã kết hợp giữa lý thuyết, thí nghiệm mô hình vật lý và mô phỏng tính toán mô hình số để đưa ra được bộ thông số về công trình hợp lý cho khu vực cần chỉnh trị. 5.2. Kiến nghị Kiến nghị cho ứng dụng giải pháp công trình chỉnh trị ổn định bờ, đê biển Hải Hậu đã đề xuất là cụm công trình giảm sóng gây bồi trên bãi. Tuy nhiên, do lĩnh vực nghiên cứu rộng và phức tạp, một số vấn đề vẫn còn để mở, cần được tiếp tục nghiên cứu để khi triển khai áp dụng vào thực tế sẽ đạt kết quả tốt hơn nữa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chi cục PCLBC-QLĐ Nam Định (2006), Đánh giá sự ổn định công trình, tác động gây bồi và bảo vệ đê của hệ thống kè mỏ hàn Hải Thịnh II (Hải Hậu), Nghĩa Phúc (Nghĩa Hưng) - Kiến nghị các giả i pháp hoàn thiện công trình, Đề tài ngh iên cứu cấp tỉnh. [2] Công ty cổ phần tư vấn XD Nông nghiệp & PTNT Nam Định (2008), Hiện trạng, nguyên nhân xói, bồ i và cơ chế phá hoại đê, kè vùng bờ biển tỉnh Nam Định”, Báo cáo Tham luận tại hội thảo khoa học 8/2008, Hà Nội. [3] Lương Phương Hậu (1999), Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo, Tủ sách trường ĐH Xây dựng, Hà Nội. [4] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2010), Theo dõi diễn biến sạt lở vùng cửa sông, ven biển Nam Định, Kết quả dự án ĐTCB giai đoạn 2005-2010, Hà Nộ i. [5] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2013), Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp tổng thể để ổn định vùng bờ biển Nam Định từ cửa Ba Lạ t đến cửa Đáy, Đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số ĐTĐL.2010T/28, Hà Nội. [6] Nguyễn Thành Trung, Lương Phương Hậu (2013), Nghiên cứu phân tích hiệu quả của các công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, Dự án Quản lý rủi ro thiên tai WB4, Hà Nội. [7] Ahrens J.P (1987), Characteristics of reef breakwaters, Technical report CERC-87-17. [8] Dalrymple R.A (1985), Physical Modelling in Coastal Engineering. [9] Noble R. M (1978), Coastal structures' effects on shorelines, Coastal structures and related problems, Part III. Chapter 125. [10] Pilarczyk K.W , Zeidler R.B (1996), Offshore breakwa ters and shore evolution control, A.A. Balkerma, Rotterdam, The Netherlands. [11] USACE (U.S. Army Corps of Engineers) (1984), Shore Protection Manual (SPM), Washington: U.S. Government Printing Office, 1088p. [12] U.S.Army Corp (1992), Coastal g roins and nearshore b reakwaters, Engineer Manual EM 1110-2-1617.